Die menschliche Umwelt-DNA bietet neue Möglichkeiten für das Gemeinwohl

Im Mai gaben Wissenschaftler der University of Florida bekannt, dass sie an nahezu jedem erdenklichen Ort hochwertige, informationsreiche menschliche DNA ausgegraben hätten. Flüsse, Strände, Ozeane – sogar aus der Luft aufgesaugt.

Die Ära der menschlichen Umwelt-DNA oder eDNA ist angebrochen.

Diese Entdeckung bedeutet, dass große Veränderungen in der Wissenschaft – und in unserem Leben – bevorstehen, sagt David Duffy, der UF-Forscher, der das jüngste Projekt leitete, das enthüllte, wie weit verbreitet unsere genetischen Informationen tatsächlich in der Umwelt sind.

Es gibt unzählige spannende neue Möglichkeiten, vom Schutz der öffentlichen Gesundheit bis zur Identifizierung von Gewaltverbrechern. Wir könnten die Geheimnisse der Vergangenheit mit DNA aus versteckten Grabstätten aufdecken oder die Umwelt schützen; Alles mit nichts weiter als einer Tasse Wasser in einer Kläranlage oder einem angeschlossenen Luftfilter in einem Park.

Aber das ist nur die Spitze des Eisbergs. „Dies kann möglicherweise für Dinge nützlich sein, über die wir noch nicht einmal nachgedacht haben“, sagte Duffy, Professor für Genomik von Wildtierkrankheiten am Whitney Laboratory for Marine Bioscience der UF. „Wir stehen erst am Anfang, die Möglichkeiten dieser Technologie zu verstehen.“

Kriminelle schnappen

Eine offensichtliche Anwendung dieser neuen Art der DNA-Analyse, die direkt aus Fernsehprozeduren hervorgeht, besteht darin, unsere Fähigkeit zur Identifizierung von Kriminellen zu verbessern. „Möglicherweise verfügen wir bereits über die Technologie, um forensische Untersuchungen anhand von DNA-Proben aus der Umwelt durchzuführen“, sagte Duffy. Aber die eDNA-Forensik wird anders aussehen als das heutige Kriminallabor.

Heutzutage verlassen sich US-Polizeibehörden auf den Abgleich von etwa 20 einzelnen Teilen des menschlichen Genoms, die über die 23 Chromosomenpaare verteilt sind. Bei genügend Übereinstimmungen ist es fast sicher, dass die DNA von einer einzigartigen Person stammt.

Aber die eDNA ist zu fragmentiert und durcheinander, sodass es unmöglich ist zu sagen, ob verschiedene Chromosomen in einer Probe von einer oder mehreren Personen stammen. Daher müsste sich die eDNA-Forensik auf die genetische Variation einzelner Chromosomen konzentrieren, in der Hoffnung, dass ein langer Abschnitt sequenzierter DNA mehrere Regionen erfasst, die von Mensch zu Mensch unterschiedlich sind.

In Zukunft könnte die eDNA-Analyse auch nach fehlenden oder doppelten Teilen des genetischen Codes suchen, die als Deletionen und Insertionen bekannt sind und die mit der eDNA-Technologie leicht identifiziert werden können. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um zu verstehen, wie sich diese fehlerhaften Markierungen in unserer DNA von Mensch zu Mensch unterscheiden, bevor sie zur Identifizierung von Kriminellen verwendet werden können.

„Wir müssen unser Wissen über diese genetischen Unterschiede aufholen, um medizinische und forensische Datenbanken aufzubauen, um die Vielfalt menschlicher Insertionen und Deletionen besser zu verstehen“, sagte Duffy.

Die Verbesserung der Forensik mit eDNA basiert auf der Idee, dass das Finden der DNA einer Person in einem Raum oder sogar auf einer Mordwaffe bedeutet, dass die Person am Tatort war oder den Abzug betätigt hat. Aber das könnte nicht der Fall sein.

„Sie können nicht davon ausgehen, dass, weil Sie die eDNA einer Person an einem Ort gefunden haben, das bedeutet, dass diese Person dort war. Sie können nur sagen, dass ihre DNA dort war“, sagte Connie Mulligan, Professorin für Anthropologie an der UF, die Humangenetik und Forensik erforscht. „Wenn Sie die Luft im Freien testen, können Sie unter Berücksichtigung der Luftströmungen möglicherweise nicht einmal sagen, dass sich die Person in der Nähe befand.“

Mit ihrer Doktorandin Samantha McCrane zeigte Mulligan kürzlich, dass DNA durch einen einfachen Händedruck leicht von einer Person auf eine andere und dann auf eine Waffe übertragen werden kann. Diese Übertragungen können sogar mehrmals erfolgen, sodass die DNA-Identifizierung einer Waffe bestenfalls unklar ist. Daher müssen die Kriminologen der Zukunft bei der Interpretation von eDNA-Signalen vorsichtig sein.

„Unsere Vorstellungskraft ist wahrscheinlich nicht wild genug, um sich alle Szenarien auszudenken, in denen die DNA einer Person an Orte bewegt werden kann, an denen diese Person nie war, sei es durch Berührung, Husten, Niesen oder Luftströmungen“, sagte Mulligan.

Gesundheitsförderung für Kläranlagen

Während der COVID-19-Pandemie konnten Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens Wochen im Voraus Virusschübe erkennen, indem sie Anzeichen des Virus in Kläranlagen entdeckten. Diese Abwasserüberwachung war für die meisten Menschen der erste Eindruck von der Leistungsfähigkeit der eDNA, und ihr Erfolg während der Pandemie bedeutet, dass diese Art der Krankheitserregerüberwachung wahrscheinlich fortgesetzt wird. Die Technologie wurde bereits auf viele andere menschliche Krankheitserreger angewendet.

„Es ist absolut sinnvoll, das Abwasser auf jede Art menschlicher Krankheitserreger zu überwachen“, sagte Mulligan. „Es ist einfach. Es ist billig.“

Obwohl der größte Nutzen für die Gesundheit der Bevölkerung wahrscheinlich aus einer solchen Überwachung von Krankheitserregern resultiert, ist es möglich, dass Signale einer genetischen Anfälligkeit für Krankheiten beim Menschen eine Möglichkeit bieten könnten, die Gesundheit ganzer Gemeinschaften zu schützen.

„Wenn Sie ein Spezialist für öffentliche Gesundheit sind, könnte es sehr nützlich sein, eine anonymisierte Aussage darüber zu haben, welche Anfälligkeit eine bestimmte Bevölkerung für bestimmte Krankheiten hat“, sagte Duffy. Eine Anwendung könnte darin bestehen, verschüttete Chemikalien oder radioaktive Abfälle mit Krebsmutationen in einer Stadt in Verbindung zu bringen, indem eDNA aus Abwasser gesammelt wird. Die Identifizierung eines eindeutigen Zusammenhangs zwischen Schadstoffen und Krankheiten könnte dazu beitragen, dass Menschen eine Sanierung oder medizinische Versorgung fordern.

Die Umwelt schützen

Die Abwasserüberwachung könnte Wissenschaftlern auch dabei helfen, lebenswichtige Wasserstraßen zu schützen. Menschliche Abfälle stellen eine starke Verunreinigung von Flüssen und Seen dar, es kann jedoch schwierig sein, die Quelle der Verunreinigung nachzuweisen. Wenn eine Wasserprobe viel menschliche DNA enthält – insbesondere wenn sie mit der Bevölkerung einer nahegelegenen Stadt übereinstimmt – könnten Wissenschaftler fehlerhafte Kläranlagen oder defekte Abwasserleitungen als wahrscheinliche Schuldige ausfindig machen und das Problem beheben.

Und eDNA wird weiterhin Wildtierwissenschaftlern zugute kommen, die – wie Duffy – viele der heutigen eDNA-Techniken zur Untersuchung und zum Schutz von Tieren entwickelt haben. Duffy hat eDNA bereits verwendet, um die Viruskrebsarten zu erforschen, für die Meeresschildkröten anfällig sind. Mit der Möglichkeit, die DNA jeder Art in einer Probe einfach zu sequenzieren, könnten Wissenschaftler wichtige zu schützende Lebensräume identifizieren, versteckte Migrationen untersuchen oder nach Arten suchen, die als ausgestorben gelten.

„Unsere menschlichen eDNA-Entdeckungen zeigen uns, was mit der Wildtier- und Biodiversitäts-eDNA in naher Zukunft möglich sein wird“, sagte Duffy.

Was kommt als nächstes

Dies sind nur einige der potenziellen Vorteile, die wir aus der sich ständig verbessernden eDNA-Wissenschaft ziehen werden. Und die zugrunde liegende Technologie verbessert sich ständig. Die Sequenzierung von eDNA wird von Jahr zu Jahr zuverlässiger und kostengünstiger.

„Deshalb bin ich davon überzeugt, dass wir nur an der Oberfläche kratzen“, sagte Duffy. „Obwohl dies ein großer Fortschritt ist, sind noch viele weitere in Sicht.“